Tvådimensionella (2D) material har extraordinära egenskaper. De består vanligtvis av atomlager som bara är några nanometer tjocka och är särskilt bra på att leda till exempel värme och elektricitet. Till många forskares förvåning blev det nyligen känt att 2D-material också kan existera på basis av vissa metalloxider. Dessa oxider är av stort intresse inom områden som nanoelektroniktillämpningar. En tysk-amerikansk forskargrupp, ledd av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), har nu lyckats förutsäga tjugoåtta representanter för denna nya materialklass genom att använda datadrivna metoder.

Det finns en betydande skillnad mellan konventionella 2D-material som grafen och de nya materialen som kan syntetiseras från metalloxider som ilmenit och kromit. De senare bildar inte svaga växelverkan – så kallade van der Waals-krafter – i sin kristallstruktur, utan bildar istället starkare jonbindningar som pekar i alla riktningar. Av denna anledning har endast ett fåtal experiment hittills lyckats lösgöra nya 2D-material från 3D-materialblock. Resultaten av studien kan nu leda till framgång i ytterligare experiment av denna typ. Med hjälp av teoretiska metoder förutspår forskarna vilka föreningar som faktiskt är värda för experimentell forskning.

"Med vår datadrivna metod byggde vi på den första tillgängliga informationen från de första experimenten. Utifrån denna information utvecklade vi strukturella prototyper och körde dem sedan genom en enorm materialdatabas som ett filterkriterium", förklarar ledaren för studien, Dr. Rico Friedrich från HZDR Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Den största utmaningen var att ta reda på varför dessa material så lätt bildar 2D-system med särskilda oxider. Utifrån denna information kunde vi utveckla ett giltigt generaliserat sökkriterium och systematiskt karakterisera de identifierade kandidaterna enligt deras egenskaper."

För detta ändamål använde forskarna i första hand vad som kallas "densitetsfunktionsteori", en praktisk beräkningsmetod för elektroniska strukturer som används flitigt inom kvantkemi och i fysik för kondenserad materien. De samarbetade med flera tyska högpresterande datacenter för de nödvändiga beräkningsstegen. En avgörande faktor var att bestämma exfolieringsenergin:denna definierar hur mycket energi som måste förbrukas för att ta bort ett 2D-lager från ytan av ett material.

Materialdatabas med cirka 3,5 miljoner poster

Studien använde också materialdatabasen AFLOW (Automatic Flow for Materials Discovery). Den har varit under utveckling i mer än tjugo år av Prof. Stefano Curtarolo från Duke University (USA), som också bidragit som författare till studien. AFLOW anses vara en av de största materialvetenskapliga databaserna och klassificerar cirka 3,5 miljoner föreningar med mer än 700 miljoner beräknade materialegenskaper.

Tillsammans med tillhörande mjukvara gav databasen slutligen forskarna inte bara den kemiska sammansättningen av tjugoåtta 2D-kapabla material, utan gjorde det också möjligt för dem att studera deras egenskaper, som är anmärkningsvärda i elektroniska och magnetiska såväl som topologiska avseenden. Enligt Rico Friedrich kan deras specifika magnetiska ytstrukturer göra dem särskilt attraktiva för spintroniska applikationer, som för datalagring i datorer och smartphones.

"Jag är säker på att vi kan hitta ytterligare 2D-material av det här slaget", säger Dresden-fysikern och kastar en blick in i framtiden. "Med tillräckligt många kandidater, kanske till och med en dedikerad databas kan skapas helt specialiserad på denna nya klass av material." HZDR-forskarna har fortsatt nära kontakt med kollegor från ett ämnesrelaterat forskningscenter (Sonderforschungsbereich) vid TU Dresden samt med den ledande forskargruppen för att syntetisera nya 2D-system i USA. Tillsammans med båda parter planerar de att fortsätta studera de mest lovande föreningarna. + Utforska vidare

Framsteg och framtidsutsikter för magnetiska topologiska material